Önemli Bir Parçacık Fiziği Bilgisayar Programı Eskime Riskiyle Karşı Karşıya
Alanın en zor hesaplamaları için kullanılan 1980’lerin yazılımı FORM’un bakımı neredeyse tamamen yetmişlik bir fizikçiye aittir.
Geçenlerde, bir parçacık fizikçisi arkadaşımın yeni bir hassasiyet seviyesine çıkardığı bir hesaplama hakkında konuşmasını izledim. Aracı mı? 1980’lerden kalma FORM adlı bir bilgisayar programı.
Parçacık fizikçileri tüm bilimdeki en uzun denklemlerden bazılarını kullanırlar. Örneğin Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndaki çarpışmalarda yeni temel parçacıkların işaretlerini aramak için, her biri milyonlarca terim uzunluğunda olabilen karmaşık bir formülü kodlayan, olası çarpışma sonuçlarını gösteren Feynman diyagramları adı verilen binlerce resim çiziyorlar. Bu gibi formülleri kalem ve kağıtla toplamak imkansızdır; bilgisayarla toplamak bile zordur. Okulda öğrendiğimiz cebir kuralları ev ödevleri için yeterince hızlıdır, ancak parçacık fiziği için ne yazık ki verimsizdir.
Bilgisayar cebir sistemleri adı verilen programlar bu görevlerin üstesinden gelmeye çalışır. Ve eğer dünyadaki en büyük denklemleri çözmek istiyorsanız, 33 yıldır bir program öne çıkıyor: FORM.
Hollandalı parçacık fizikçisi Jos Vermaseren tarafından geliştirilen FORM, en zor hesaplamalar için gerekli olan parçacık fiziği altyapısının önemli bir parçasıdır. Ancak, dijital altyapının şaşırtıcı derecede önemli pek çok parçasında olduğu gibi, FORM’un bakımı da büyük ölçüde tek bir kişiye bağlı: Vermaseren’in kendisi. Ve 73 yaşında FORM’un geliştirilmesinden geri adım atmaya başladı. Yazılım araçlarını değil, yayınlanmış makaleleri ödüllendiren akademinin teşvik edici yapısı nedeniyle, halefi ortaya çıkmadı. Durum değişmezse, parçacık fiziği dramatik bir şekilde yavaşlamak zorunda kalabilir.
FORM, bilgisayarların rolünün hızla değiştiği 1980’li yılların ortalarında kullanılmaya başlandı. Martinus Veltman tarafından yaratılan Schoonschip adlı bir program olan öncülü, bir Atari bilgisayarının yan tarafına takılan özel bir çip olarak piyasaya sürüldü. Vermaseren, dünyanın dört bir yanındaki üniversiteler tarafından indirilebilecek daha erişilebilir bir program yapmak istedi. Programı Formül Çevirisi anlamına gelen FORTRAN bilgisayar dilinde programlamaya başladı. FORM ismi de bundan esinlenerek konulmuştu. (Daha sonra C adlı bir programlama diline geçti.) Vermaseren yazılımını 1989 yılında yayınladı. 90’ların başında dünya çapında 200’den fazla kurum yazılımı indirmişti ve bu sayı artmaya devam etti.
2000 yılından bu yana, ortalama olarak her birkaç günde bir FORM’a atıfta bulunan bir parçacık fiziği makalesi yayınlanıyor. Zürih Üniversitesi’nde profesör olan Thomas Gehrmann, “Grubumuzun son 20 yılda elde ettiği [yüksek hassasiyetli] sonuçların çoğu büyük ölçüde FORM koduna dayanıyordu” dedi.
FORM’un popülaritesinin bir kısmı, bir Feynman diyagramının belirli parçalarını hızlı bir şekilde çarpmak için bir numara ve denklemleri mümkün olduğunca az çarpma ve ekleme yapacak şekilde yeniden düzenlemek için bir prosedür gibi yıllar içinde oluşturulmuş özel algoritmalardan geldi. Ancak FORM’un en eski ve en güçlü avantajı hafızayı nasıl ele aldığıdır.
Tıpkı insanların kısa ve uzun süreli olmak üzere iki tür belleğe sahip olması gibi, bilgisayarların da ana ve harici olmak üzere iki türü vardır. Ana belleğe (bilgisayarınızın RAM’i) anında erişmek kolaydır ancak boyut olarak sınırlıdır. Sabit diskler ve katı hal sürücüleri gibi harici bellek aygıtları çok daha fazla bilgi tutar ancak daha yavaştır. Uzun bir denklemi çözmek için onu ana bellekte saklamanız gerekir, böylece üzerinde kolayca çalışabilirsiniz.
80’lerde her iki bellek türü de sınırlıydı. Vermaseren’in eski bir öğrencisi ve FORM’un geliştiricisi olan ve şu anda İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Zürih’te doktora sonrası araştırmacı olarak çalışan Ben Ruijl, “FORM, neredeyse hiç belleğin ve disk alanının olmadığı bir zamanda inşa edildi – temelde hiçbir şey yoktu” dedi. Bu durum bir zorluk yaratıyordu: Denklemler ana belleğin kaldıramayacağı kadar uzundu. Bir denklemi hesaplamak için işletim sisteminizin sabit diskinize de ana bellekmiş gibi davranması gerekiyordu. Denkleminizin ne kadar büyük olacağını bilmeyen işletim sistemi, verileri sabit diskteki bir “sayfalar” koleksiyonunda depoluyor ve farklı parçalara ihtiyaç duyulduğunda bunlar arasında sık sık geçiş yapıyordu – takas adı verilen verimsiz bir süreç.
FORM takas işlemini atlar ve kendi tekniğini kullanır. FORM’da bir denklemle çalıştığınızda, program her terime sabit diskte sabit bir alan atar. Bu teknik, yazılımın bir denklemin parçalarının nerede olduğunu daha kolay takip etmesini sağlar. Ayrıca bu parçalara ihtiyaç duyulduğunda geri kalanına erişmeden ana belleğe geri getirmeyi kolaylaştırır.
FORM’un ilk günlerinden bu yana bellek büyüdü, 1985’te Atari 130XE’deki 128 kilobayt RAM’den benim güçlendirilmiş masaüstümdeki 128 gigabayt RAM’e – milyon kat gelişme. Ancak Vermaseren’in geliştirdiği hileler hala çok önemli. Parçacık fizikçileri yeni parçacıkların kanıtlarını aramak için Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’ndan gelen petabaytlarca veriyi inceledikçe, hassasiyet ihtiyaçları ve dolayısıyla denklemlerinin uzunluğu da artıyor.
Ruijl, “Bellek ne kadar büyürse büyüsün, bu tür şeyler sonsuza kadar geçerliliğini koruyacaktır, çünkü her zaman onu belleğin boyutunun ötesine itebilecek bir fizik problemi vardır” dedi.
Bilgisayarların kapasitesi her iki yılda bir yaklaşık iki katına çıkarak kabaca katlanarak büyüdü. Ancak üstel büyümeden daha hızlı büyüme biçimleri de var. Üç harfi (a, b ve c) olası tüm sıralarla yazma görevini düşünün. İlk harf için üç (a, b veya c), ikincisi için iki ve üçüncüsü için bir seçenek vardır. Problem, üstel büyümeden bile daha hızlı büyüyen matematiksel bir ilişki olan faktöriyel olarak ölçeklenir. Çarpışan bir dizi parçacık için çizebileceğiniz tüm farklı Feynman diyagramları gibi şeylerin olası kombinasyonlarını saymaya çalıştığınızda faktöriyeller sıklıkla ortaya çıkar. Bu parçacık fiziği hesaplamalarının faktöriyel büyümesi, bilgi işlem gücünün üstel büyümesini geride bırakır.
FORM gibi yazılımlar fizik için ne kadar önemli olsa da, bunları geliştirmek için harcanan çaba genellikle göz ardı ediliyor. Vermaseren, Hollanda’daki Ulusal Atomaltı Fiziği Enstitüsü’nde kalıcı bir pozisyona ve projeyi takdir eden bir patrona sahip olduğu için şanslıydı. Ancak böyle bir şansı yakalamak zordur. Alan için çok önemli bir basitleştirme algoritması geliştiren İtalyan fizikçi Stefano Laporta, kariyerinin çoğunu öğrenci veya ekipman için fon almadan geçirdi. Üniversiteler bilim insanlarının yayın kayıtlarını takip etme eğilimindedir, bu da kritik altyapı üzerinde çalışanların genellikle işe alınma veya kadro için es geçildiği anlamına gelir.
Vermaseren, “Yıllar boyunca sürekli olarak, bilgisayarlarda çok fazla zaman harcayan insanların fizikte kadro alamadıklarını gördüm” dedi.
Ruijl, “Belki de gerçekten fiziksel sonuçlar üretmek, araçlar üzerinde çalışmaktan daha prestijlidir” dedi.
Ruijl gibi birkaç genç fizikçi FORM üzerinde ara sıra çalışsa da, kariyerleri için zamanlarının çoğunu başka araştırmalara harcamaları gerekiyor. Bu da FORM’u geliştirme sorumluluğunun büyük kısmını, artık çoğunlukla emekli olan Vermaseren’e bırakıyor.
Sürekli geliştirme yapılmazsa, FORM gittikçe daha az kullanılabilir hale gelecek – yalnızca eski bilgisayar kodlarıyla etkileşime girebilecek ve günümüz öğrencilerinin programlamayı nasıl öğrendikleri ile uyumlu olmayacak. Deneyimli kullanıcılar FORM’u kullanmaya devam edecek, ancak genç araştırmacılar Mathematica gibi daha kullanıcı dostu ancak çok daha yavaş olan alternatif bilgisayar cebiri programlarını benimseyeceklerdir. Pratikte, bu fizikçilerin birçoğu belirli problemlerin üstesinden gelinemeyecek kadar zor olduğuna karar verecektir. Böylece parçacık fiziği duraklayacak ve sadece birkaç kişi en zor hesaplamalar üzerinde çalışabilecektir.
Vermaseren Nisan ayında geleceği planlamak için FORM kullanıcılarının katılacağı bir zirve düzenleyecek. FORM’u nasıl canlı tutacaklarını tartışacaklar: onu nasıl koruyacaklarını ve genişleteceklerini ve yeni nesil öğrencilere ne kadar çok şey yapabileceğini nasıl göstereceklerini. Şans, sıkı çalışma ve finansmanla, fizikteki en güçlü araçlardan birini koruyabilirler.
Orijinal hikaye, Simons Vakfı’nın editoryal olarak bağımsız bir yayını olan ve misyonu matematik ile fizik ve yaşam bilimlerindeki araştırma gelişmelerini ve trendleri ele alarak halkın bilim anlayışını geliştirmek olan Quanta Magazine’den izin alınarak yeniden basılmıştır.
Kaynak: https://www.wired.com/story/a-crucial-particle-physics-computer-program-risks-obsolescence/
Bu yazı Astrafizik.com tarafından Türkçeye aktarılmış olup yazının aslı wired.com sitesine aittir, orijinaline mümkün olduğunca sadık kalmak koşuluyla dilimize çevirilmis olsa da editoryal tarafından katkılarda bulunulmuştur. Bu sebeple Astrafizik.com içerik izinlerine tabidir. Astrafizik.com referans gösterilmek koşuluyla 3. tarafların kullanımına izin verilmiştir.